Criterios de mantenimiento

En toda máquina es necesario efectuar un manteni- miento para que pueda cumplir las funciones previs- tas, y este principio es de aplicación en toda instalación donde exista maquinaria con órganos dotados de movimiento que pueden transmitir compo- nentes dinámicos. Tradicionalmente se han venido aplicando diversos criterios:

No existe mantenimiento y cuando se produce la avería se repara.

2. Mantenimiento según manual del suministrador 3. Mantenimiento preventivo con inspección y des-

montajes periódicos.

Estos tipos de mantenimiento pueden incluir contro- les de vibraciones, pero representan situaciones inse- guras e imprecisas.

Con objeto de reducir costes y aumentar la seguri- dad en el funcionamiento de una planta, se ha acuñado un nuevo criterio denominado "mantenimiento predic- tivo", que está basado en una vigilancia continua para la detección de futuras avenas.

Puesto que el estado de la máquina está íntimamente ligado con su comportamiento dinámico, esto hace que la medida, el análisis y tratamiento de las vibracio- nes y el ruido sean los elementos básicos del manteni- miento predictivo.

Para cuantificar la anomalía ciertos sistemas están basados en la noción de umbral en una banda de f re- cuencias. Pero interesa igualmente la derivada en fun- ción del tiempo de este nivel, bajo forma de medida de tendencia. Realmente es la evolución del nivel la que puede ser muy significativa.

Los espectros durante la explotación deben inter- pretarse en función de los resultados obtenidos des- pués de los estudios preliminares y eventualmente de los exámenes y simulaciones sobre un banco de ensa- yos, siempre que sea posible.

Así pues, la fiabilidad de la vigilancia vibratoria está ligada directamente a los estudios preliminares que han sido realizados en la etapa de proyecto y de estu- dio de prototipos.

INGENIERIA NAVAL Diciembre 1987

---'4.

Figura 11. Componentes para el tratamiento por sintesis modal en un buque a motor

Estos estudios facilitan la interpretación de espec- tros y permiten la determinación de los umbrales de alarma y alerta con conocimiento de causa.

En el apartado 4.2 se citan varios programas para efectuar el análisis vibratorio de máquinas.

Ciertamente, la asistencia por ordenador se genera- liza en mecánica y particularmente en el dominio de los comportamientos dinámicos- Por ello, ciertas socieda- des han orientado su investigación, desarrollo y pro- ducción en este sentido, con el fin de poner a disposición de los usuarios una gama completa de medios para reducir el coste de producción, mejo- rando la calidad. Así, pues, se puede afirmar que toda industria que se prive hoy de tales medios tendrá difi- cultades para mantener su posición en el futuro.

1. Pettersen, J.W. et al., "Vibration in the afterbody of Ships", RINA, March, 1971

2. Vorus, W.S., "Calculation of Propeller-lnduced Vibratory HulI Forces, Force Distribution and Pressures Free- Surface Effects", J. Ship Res., Vol. 20, No 2, 1976, pp.

107-117

3. Guogiang. W. "The Influence of Solid Boundaries and Free Surface on Propeller-induced Pressure Fluctua- tions'. Norwegian Maritinie Research, No. 2, 1981.

4. Lewis, F.M., "The lr'iertia of the Water Surrounding a Vibrating Ship", Trans. SNAME, Vol. 37. 1929.

5. Anderson, O., and Norrand, K., 'A Method forthe Calcu- lation of Vertical Vibration with Several Nodes and Sorne Other Aspects of Ship Vibration", Trans. RINA, Vol. 111, 1969.

6. Zienkiewicz, O.C. and Newton, R.E., "Coupled Vibra- tions of a Structure Submerged ir'i a Compressible Fluid", Paper presented at ISD/ISSC Symposium on

Finíte Elemente Techniques, lnstitut für Statik und Dynamic der Luft-und Raumfahrtkonstruktionen, Univ.

of Stuttgart, ERG, June 1969.

7. Holand, L., 'Firiite Elements for the Computation of Hydrodinamic Mass', Paper presented at ISD/ISC Symposium on Finite Element Techniques. lnstitut für Statik and Dynamic der Luft-un Raumfahrtkonstrutio- nen Univ, of Stuttgart. FRG, June 1969

8. Chowdury, P.0 "Fluid Emite Elements tor Added Mass Calculations", International Shipbuilding Progress.VoI.

19, 1972. pp. 302-309.

9. Armanda, J.L . and Orsero, P. "A Method for Evaluating the Hydrodynamic Added Mass in Ship HuIl Vibrations', Trans. SNAME, Vol. 87, 1979.

10. Misra, FN., "Transverse VibrationsofaShip HuIl in Ideal Fluid, Determined trough Variational Methods", Journal of Ship Research, Vol. 18, No. 3, Sept. 1974.

11. Muthuveerappan, G., Genesan, N., and Veluswami, MA.,

"Influence of Fluid Added Mass on the Vibration Charac- teristics of Plates under Various Boundary Conditions", Journal of Sound and Vibration, Vol. 69, April 1980, pp.61 2-615.

12. Cristoph Muller, W., "Simplified Analysis of Linear Fluid Structure Interaction", International Journal for Numen- cal Methods in Engineening, Vol. 17, Jan. 1981, pp.113- 121.

13. Catley, D. and O. Norris, "Theoretical Prediction of the Vertical Dynamic Response of Ship's Structures Using Finite Elernents and Correlation with Ship Mobility Mea- surenients". Proceeding llth Syrnposium of Naval Hydrodynamics, London, 1977.

14. Sandstrom, RE., Smith, NP., "Eigenvalue Analysis asan Approach to the Prediction of Global Vibration of Deck- house Structures", Marine Technology, Vol. 17, 1980.

15. Cromer, J.C., et Daurat, J.M., "Installation de Machines.

Analyse Dinamique Previsionielle", Le Journal Metravib, No. 8, Mars, 1984.

16 Martinat. J., "Prevision du compontment vibratoired'une plate-forme". L'lndustrie du Petrole, No. 517, Avril 1980.

Número 630

INGENIERIA NAVAL 17. Kagawa, K., et al., "Vibration Analysis of HulI Structure

by Modal Synthesis Method", Mitsubishi Juko Giho, Vol.

17, No. 5, 1980.

18. Vorus,W.S.,andSandstron,R.E.,"AnExtensionofCom- ponent Mode Synthesis and its Application to Ships Vibrations", Euromech, 1979.

19. Kagawa, K., et al., "An Application of Building Biock Method to Vibration Problem of Diesel Powered Ship", MTB 148, February 1982.

20. "Recommendations Designed to Limit the Effect of Vibration on Board of Ships". Bureu Veras. Paris, 1979.

21. "A Design Procedure fon minimizing Propeller-induced Vibration in Huil Structure Elements", SCC - 291, Ship Structure Committee. Washington D.C. 1980.

22. "Guidelines for the Prevention of Harmful Vibration in Ships" Det norske Ventas, 1983.

23. "Ship Vibration Handbook". Det norske Ventas. 1980.

24. "Guidelines for Prevention of Excessive Ship Vibration".

H. Johannessen y otros. SNAME Transactions. 1980.

25. "Early Design-Stage Approach to Reducing Huil Surface Forces Due to Propeller Cavitation". K. Olav Holden y otros. SNAME Transactions. 1980.

26. "Global Vibration in a Chemical Tanker: A Design and Sea Tnial Study". Motor Ship. 1980.

Sr. Martínez-Abarca Unturbe

Creo que el cálculo de vibraciones por medio de una descripción por elementos finitos resulta fiable, si la modelización es correcta. Sin embargo, hay dos aspectos sobre los que querría que el autor diera su opinion:

- En las fases de definición del proyecto no se conoce la estructura de forma suficientemente precisa, como para aplicar un programa de ele- mentos finitos, y sin embargo, es importante explorar las vibraciones principales del casco, en una etapa bastante preliminar, para saber si puede haber algún fenómeno de resonancia grave. Existen fórmulas empíricas que utilizan una distribución preliminar de masas y de rigidez estructural a lo largo de la eslora, que dan resulta- dos orientativos, que pueden recomendar, cam- biar, por ejemplo, el número de palas de la hélice en un momento en que esta decisión esaún libre.

Las preguntas son,CuáI es el avancequesehaya producido últimamente en este campo? y ¿Cuál es el grado de fiabilidad, a juicio del autor, de estos procedimientos?

- El segundo aspecto, es el de la fiabilidad, en este caso, de la estimación de masa añadida, para la que la modelización desgraciadamente no puede ayudar.

El autor

El análisis de regresión representa una herramienta de gran valor en ingenieria cuando se toman en consi- deración todas las variables que influyen en el fenóme- no estudiado. La omisión de variables importantes en una formulación empirica no sólo impide estudiar los

efectos de estas variables sino que también incide en los resultados obtenidos. En los análisis de regresión referentes a vibraciones en buques, parece difícil que puedan incluirse suficientes variables y que los datos de los ensayos a plena escala puedan recogerse en su- ficiente fiabilidad para obtenerfórmulas empiricas que proporcionen resultados consistentes.

Parece razonable la utilización de fórmulas empíri- cas como complemento de las nuevas técnicas, pero nunca en sustitución de éstas. No obstante, puede hacerse uso de fórmulas empíricas en las primeras etapas de proyecto empleando procedimientos más exactos a medida que progresa el diseño. En efecto, las fórmulas experimentales más acreditadas sólo propor- cionan fiabilidad en el cálculo de frecuencias naturales de la viga buque en los primeros modos. Las frecuen- cias en los modos superiores vienen influenciadas por efectos en tres dimensiones que sólo pueden estu- diarse mediante la técnica de elementos finitos. Antes de la utilización de fórmulas empíricas para el estudio de vibraciones en buques en las etapas iniciales, hay que cerciorarse de los tipos de buques y configuracio- nes estructurales que han servido de base para el esta- blecimiento de las mencionadas fórmulas.

Se han editado varias guías de diseño referentes al análisis de vibraciones en buques (20-24), y son muchos los artículos publicados (5), (9), (14), (25), (26),... efectuando estudios comparativos de los resul- tados obtenidos utilizando fórmulas empíricas, análi- sis por elementos finitos y medidas a plena escala. En estos trabajos pueden comprobarse las desviaciones obtenidas con los diferentes procedimientos. En nues- tras mediciones a bordo hemos encontrado desviacio- nes con respecto a los cálculos por elementos finitos que están de acuerdo en algunos casos con las obser- vaciones indicadas en (26).

En nuestro trabajo se recogen referencias de estu- dios sobre determinación de la masa añadida (4-1 2). G.

Anderson y K. Norrand (5) han expuesto el grado de acuerdo obtenido entre los valores calculados siguiendo el método por ellos propuesto para el cálculo de frecuencias de vibraciones verticales del casco, que incluye una aportación en la estimación de la masa añadida, y las mediciones efectuadas. En los casos estudiados por estos investigadores las desvia- ciones en las frecuencias calculadas no superan el 7 por 100 de las mediciones, en los diez primeros modos.

En el articulo indicado en la referencia (9) J.L. Armand y P. Orsero indican las desviaciones observadas al considerar los efectos de la masa añadida según fór- mulas empíricas y de acuerdo con los valores hallados en el análisis mediante elementos fluidos finitos, que muestran discrepancia a partir del tercer modo.

Así pues, los fenómenos vibratorios en buques pare- cen muy complejos para que puedan ser estudiados correctamente mediante simples fórmulas ya que es preciso incluir todas las variables que gobiernan el proceso físico. Por ello, las nuevas técnicas basadas en modelos de elementos finitos de la estructura y del fluido, y el ajuste de estos modelos mediante ensayos son imprescindibles para tener un conocimiento correcto del comportamiento vibratorio de un buque.

Los métodos de síntesis modal, empleados con éxito en el campo de la industria aeronáuticam aportarán nuevas herramientas para profundizar en el estudio de vibraciones en buques, permitiendo, por ejemplo, identificar la masa añadida mediante ensayos de reso- nancia.

Tras las dos crisis de energía, en 1973 y 1979, se empren- - Mejoras en la resistencia al avance del buque: Median- dieron acciones en todas las industrias encaminadas a redu- te la disminución de la rugosidad del casco, a base de cir los consumos energéticos mejorando los rendimientos esquemas de pinturas autopulimentantes, que requie- de las instalaciones productivas. ren preparación de las superficies mediante el grana-

llado del casco.

Estas acciones fueron enfocadas, en una primera etapa,

en la obtención de grandes ahorros, lo cual a veces implica- Si bien estas medidas por sí solas dieron unos resultados ba inversiones de cierta consideración. satisfactorios, se estimó que un programa más ambicioso en el que se contemplaran todas las medidas posibles a to- El sector naviero no fue ajeno a esta necesidad y, por ello, mar y su interrelación, podría ser más efectivo.

como medidas más inmediatas se tomaron, entre otras, las . .

si uientes Fue por ello por lo que se decidió realizar una auditoria

energética de su flota.

- Disminución de la velocidad en servicio de los buques existentes.

- Desaparición de las turbinas como medio de propul- sión.

- Mejoras en la eficiencia de los nuevos motores diesel

Si bien el nombre de auditoría despierta recelos, por cuanto pueda parecer una fiscalización de las actividades de una persona, equipo o departamento, en realidad de lo que se trata es de una comprobación de funcionamiento, opera- ción o procedimientos, que deben servir de ayuda a los ges- tores de la compañia.

El caso es que una vez superadas estas dos crisis y dado que el precio de los combustibles marinos ha descendido hasta cifras casi equivalentes a las anteriores a 1980 (el fuel- oil cuesta 100 $/ton. en la actualidad y la cotización del dó- lar ha vuelto al nivel de 1982), ha habido un cierto olvido del potencial de ahorro que existe todavía en este campo, salvo excepciones, sin tener en cuenta que en épocas de crisis de un sector es preciso reducir los costes operativos, con el fin de obtener la máxima competitividad, que es la única defen- sa para la supervivencia.

Entre las excepciones que mencionamos se encuentra, sin duda, la flota de CAMPSA, compuesta por 31 unidades, siendo, por tanto, en número la mayor de España en la ac- tualidad.

Preocupados sus gestores, a la vista de la política de libe- ralización que se avecina, por situar a su flota en posición competitiva, han realizado un programa de aumento de pro- ductividad y reducción de costes.

Formando parte del programa de reducción de costes, habían realizado una serie de acciones en sus buques entre las que cabe destacar las siguientes:

- Modificaciones del combustible a quemar en los mo- tores principales. Esta «fuelización» ha requerido ade- cuación de los tanques de combustible, instalándose serpentines de calefacción, modificación de las depu- radoras, inyectores, bombas de combustible, etc.

- Mejoras en la combustión de calderas auxiliares: Con- sistente en la activación de la combustión mediante la ionización del oxígeno, sistemas de autolimpieza de calderas, disminución de temperatura de humos, aumentando el porcentaje de CO 2 , reducción de exce- so de aire, etc.

Para ello, es conveniente que la auditoría cumpla con una serie de requisitos:

a) Es preferible que sea realizado por un órgano exter- no, es decir, que no tenga responsabilidad en la ges- tión que va a ser auditada. Este órgano externo puede ser otra compañía, un equipo perteneciente a otro departamento.

b) Es imprescindible que el equipo auditor tenga expe- riencia en proyectos y operación de buques por razo- nes obvias.

c) Es recomendable que dicho equipo realice o haya realizado auditorías a otros buques, dado que el ele- mento comparativo en este tipo de trabajo es de mu- cha utilidad.

dI Debe contar con instrumentos de medida costosos, que sólo se emplean para este fin, y cuya inversión tal vez no está justificada para una sola flota.

Existe una primera fase, consistente en analizar los datos de proyecto del buque, datos de pruebas de mar, curvas del Canal de Experiencias, curvas de pruebas de banco de mo- tores, etc.

De acuerdo con esta información se pueden determinar los consumos teóricos del buque, los cuales se comparan en una segunda etapa con los datos de explotación del buque, que se obtienen de los partes de viaje, impresos de máqui- nas, etc.

Se observa así un primer desfase entre el proyecto y la realidad. Estas desviaciones se analizan a nivel teórico, de- terminándose las causas de algunas e ignorándose la razón de otras.

Número 630 INGENIERIA NAVAL

Con todos estos datos analizados, se organiza una prime- ra visita a bordo.

En esta visita se realiza una primera inspección del buque y sus procedimientos operativos, aprovechándose, asimis- mo, para tomar medidas con el fin de acoplar los instrumen- tos que posteriormente se van a instalar a bordo.

Por ello, en tierra se prepara el equipo de toma de datos que se vuelve a embarcar con determinados instrumentos de medida, entre los que son imprescindibles un torsióme- tro, un indicador de combustión (diagramas, presiones, po- tencia, etc.), medidas de presiones, temperaturas, flujos, etc.

Este equipo toma medidas durante su estancia a bordo en distintas condiciones de operación, sin que alteren la normal explotación del buque.

Finalmente, con los datos y observaciones basados en la experiencia del equipo humano que viaja a los buques, se analizan las medidas y recomendaciones a las que dedica- mos el siguiente apartado:

Es muy importante la mentalización de todo el staff de la compañía, en los temas de ahorro energético, ya que su colaboración es fundamental, no sólo para realizar la audito- ría, sino también para la posterior aplicación de las medidas recomendadas.

En este sentido no se trata solamente del personal embar- cado sino también de los inspectores y el resto de personal de tierra implicado en los temas de operación de flota.

Los buques de la flota CAMPSA analizados habían toma- do ya una serie de medidas importantes en orden a dismi- fluir su consumo energético, entre los que destaca la fueli- zación de sus motores principales y la elección de la veloci- dad económica, chorreado de cascos y esquemas de pintu- ras sofisticados, etc.

De hecho, el mantenimiento de sus buques, como es co- nocido en el sector naviero, es de un nivel superior a la me- dia de la marina mercante española.

Todo ello podía hacer pensar en que la eficiencia de estas auditorías pudiera estar limitada por estas circunstancias y posiblemente así sea. Pero, en cualquier caso, se han detec- tado como en casi todas las flotas analizadas, dos líneas ge- nerales de actuación que son las siguientes:

- Unas puramente operativas, que afectan a los proce- dimientos de explotación del buque y que pueden su- poner de un 8 a un 12 % de ahorro energético en pe- setas, sin requerir apenas inversiones.

- Otras, que tratan de mejorar el rendimiento de algunas instalaciones y que requieren inversiones medias, y con las cuales se pueden conseguir otro 10 % adicio- nal de ahorro energético como media.

Este fenómeno, principalmente el primero, no debe sor- prender dado que cualquier componente de coste, mediante una atención especial es susceptible de ser disminuido y val- gan como ejemplo las horas extras de la tripulación, los cos- tes de mantenimiento y reparaciones o respetos, entre otros.

Pero hay que considerar que no es menos cierto que una vez que esa «atención especial» se descuida, existe una ten- dencia a volver al estado inicial y es por ello que es necesario un programa de seguimiento como el que posteriormente se describirá.

Claramente se puede deducir que si en una flota como la de CAMPSA, en la cual, antes de realizar la auditoría ener- gética, se habían tomado las medidas descritas anterior- mente, con amplia repercusión en el ahorro energético, la aplicación de una auditoría en otra compañía naviera que no hubiera realizado este paso previo, los resultados pueden ser espectaculares.

Consiste en un control sobre los consumos energéticos de un buque, que en cada momento se van comparando con los datos base, extraidos del estudio anterior.

Para cualquier desviación es fácil de determinar la causa que la ha motivado y, por ello, con la diagnosis es sencillo poner remedio.

Este instrumento, realizado con el apoyo de aplicaciones mecanizadas, es de gran utilidad para el Capitán y Jefe de Máquinas, así como inspecciones y finalmente altos respon- sables de la compañía.

Una auditoría de seguridad, sin un programa de segui- miento posterior, puede dejar de ser útil, a los dos o tres años, por la natural tendencia de no prestar atención, si no existen programas concretos de actuación.

El coste de auditorías de este tipo pueden ser, en valores absolutos, relativamente elevados debido a los gastos que su realización conlieva, como puede ser el desplazamiento de técnicos, la utilización de instrumentos especiales ade- cuados a este fin, los estudios de análisis, etc.

Sin embargo, con los ahorros energéticos generados sim- plemente con medidas operativas (que no requieran inver- siones) se puede estimar un «pay-back» inferior a dos años.

Además, este tipo de inversiones pueden ser financiadas, e incluso parcialmente subvencionadas, por organismos pú- blicos como el l.D.A.E. (Instituto de Diversificación y Aho- rro Energético) y la D. General de la Marina Mercante que lo contemplaba en su Plan de Flota.

La experiencia seguida por la flota de CAMPSA es ejem- plar, ya que, además del esfuerzo inicial realizado, esta se- gunda fase consistente en la auditoría energética, está lle- vando a la compañía a los máximos niveles de competitivi- dad en materia de consumo de combustible, comparativa- mente con buques similares.

Es fundamental para ello, aparte de la iniciativa de em- prender un programa de este tipo, la mentalización del

«staff» de la compañía y no sólo de los tripulantes, sino tam- bién de inspectores y personal de tierra.

En estos tiempos de crisis del sector, debido a los bajos niveles de fletes imperantes en el mercado, éste es uno de los caminos de obtener la competitividad que la flota espa- ñola demanda.

563

In document - friCrNIERIA MA VA L (página 31-36)